《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Differential remediation of tetracycline vs. sulfamethoxazole-contaminated soils by ZVI/BC: Impacts on rice growth, soil properties, and key regulatory factors
编辑推荐：
抗生素残留对农业生态系统威胁显著，本研究通过盆栽实验评估零价铁生物炭（ZVI/BC）对TC和SMX污染下水稻生长的缓解机制，发现SMX毒性远高于TC，ZVI/BC通过吸附-降解协同作用有效降低土壤抗生素残留（TC降低83.53%，SMX降低73.57%），改善土壤理化性质（EC提升49.74%，总K/C增加37.37%-49.18%），但对SMX污染的水稻分蘖和根系恢复效果有限。
Xu Su|Jie Han|Xuanming Wang|Siyu Wang|Yixuan Chen|Ziyi Ge|Jun Meng
绍兴大学生命与环境科学学院，中国绍兴312000
摘要
抗生素残留对农业生态系统构成威胁，但典型抗生素的差异性植物毒性以及零价铁生物炭（ZVI/BC）在土壤-水稻系统中的特定修复机制仍不明确，尤其是在综合考虑土壤性质、水稻生长和关键调控因素方面。本研究通过盆栽实验探讨了四环素（TC）和磺胺甲噁唑（SMX）对水稻的毒性及其通过ZVI/BC的修复效果。结果显示，SMX的毒性更强，导致植株高度减少了72.39%，分蘖完全受到抑制，总干物质减少了95.61%，根系形态和抗氧化系统受损；而TC仅使穗重减少了28.96%。ZVI/BC能有效修复受TC污染的水稻（干物质增加7.55%，抗氧化酶活性降低），但对SMX污染的效果有限（植株高度增加122.73%，干物质积累增加7.85倍，但分蘖和根系未恢复）。ZVI/BC还改善了土壤的物理化学性质（如电导率增加49.74%，总钾含量增加37.37%-49.18%），并通过吸附-降解协同作用减少了土壤中的TC（83.53%）和SMX（73.57%）残留，并抑制了抗生素在水稻中的富集（根 > 茎 > 叶 > 穗）。随机森林模型分析表明，在TC污染条件下，土壤物理化学因素（CEC、总钾含量）是主要调控因素；而在SMX污染条件下，根系发育和有效磷含量是关键限制因素。本研究表明ZVI/BC在农业抗生素修复方面具有潜力，但针对高毒性抗生素的材料优化和田间规模应用机制仍需进一步探索。
引言
抗生素在医疗、畜牧业和农业等多个领域的广泛使用导致农业生态系统中抗生素残留问题日益严重[1]。这些残留物通过动物排泄、有机肥料施用和废水灌溉等途径进入农业生态系统，造成严重的环境污染并增加抗性基因传播的风险[2]。因此，研究抗生素对作物生长和发育的影响以及解决农业环境中的抗生素污染问题已成为农业领域的重要研究方向。
抗生素对作物的影响主要体现在两个方面：一方面，抗生素会直接干扰作物的生理过程，包括细胞分裂、代谢活动和抗氧化系统，从而抑制种子发芽、阻碍根系发育、降低光合作用效率，最终导致作物生长受阻和产量下降[3]；另一方面，抗生素会破坏土壤微生物群落的结构和功能，抑制关键酶的活性，改变有机物矿化和氮磷循环效率，导致土壤物理化学性质退化[4],[5]。值得注意的是，土壤中的残留抗生素可被作物吸收并积累在可食用组织中，最终通过食物链进入人体[6]。长期摄入含有低水平抗生素的农产品可能引发健康问题，如肠道菌群失衡、抗生素抗性基因传播和过敏反应，对公共健康构成严重威胁[7]。
鉴于抗生素对作物生长的不利影响，开发有效的修复策略已成为关键研究重点。生物炭作为一种新型土壤改良剂，在减轻抗生素污染方面显示出巨大潜力[8]。然而，单独使用生物炭的修复效果有限。为提高其效果，研究人员将零价铁与生物炭结合，制备了零价铁生物炭（ZVI/BC）复合材料。ZVI/BC结合了零价铁的强还原性和生物炭的高比表面积及多孔性，对多种抗生素具有优异的吸附和降解能力[9]。例如，Wang等人发现将ZVI固定在生物炭上不仅减少了ZVI的聚集，还提高了反应过程中的电子转移效率，ZVI/BC复合材料通过自由基机制有效修复了四环素（TC）污染[10]；Song等人利用玉米秸秆制备的ZVI/BC对TC、氧四环素（OTC）和氯四环素（CTC）的去除能力分别为81.5 mg·g^-1、72.9 mg·g^-1和103.1 mg·g^-1[11]；Li等人研究了纳米ZVI/BC对磺胺甲噁唑（SMX）的修复效果，发现ZVI通过还原途径实现了SMX的完全降解，在初始浓度为15 mg·L^-1时去除效率接近100%[12]；Wang等人报告称，ZVI/BC复合材料的TC吸附能力显著高于单独使用ZVI或BC[13]。这些研究证明了ZVI/BC在处理抗生素方面的有效性。但目前研究主要集中在水环境中，缺乏与土壤和作物等关键农业因素的结合，也缺乏系统性和实际应用案例来验证ZVI/BC在农业生产中的有效性。
本研究选择水稻作为目标作物，选取了在农业环境中广泛使用的有害抗生素TC和SMX作为代表。通过盆栽实验研究了ZVI/BC在TC和SMX胁迫下对水稻生长的调控机制、土壤物理化学性质的变化以及抗生素的迁移规律，并评估了ZVI/BC在农业环境中修复抗生素的效果。
实验地点描述
实验于2024年5月至10月的整个生长周期内在沈阳农业大学水稻研究所（北纬41°82′63″，东经123°57′18″）进行。该地区生长期间的平均温度约为20.7℃，降雨量约为547毫米。试验地块的土壤类型为棕壤，土壤颗粒组成分别为16.7%的沙粒、24.9%的粘粒和58.4%的粉粒。
材料
试验用水稻品种为沈阳农业9816。
材料表征
扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像结合元素分布分析（图1a和1b）显示，ZVI/BC颗粒呈团聚状，C、O和Fe元素分布均匀，表明零价铁在生物炭基质上分散良好。BET-BJH孔结构测试（图1c）表明，ZVI/BC的N2吸附-解吸等温线属于IV型等温线，以中孔为主，少量微孔，使得材料具有丰富的
ZVI/BC对抗生素胁迫下水稻生长的影响
土壤中的抗生素会干扰作物的生理功能，抑制细胞分裂和代谢，影响抗氧化系统的功能，这些直接关系到水稻的生长和生理特性。将生物炭施用于土壤可能是缓解抗生素胁迫的有效方法。因此，本研究揭示了ZVI/BC生物炭材料在抗生素胁迫下对水稻生长和发育的差异性修复机制
结论
研究表明，抗生素污染对农业生态系统构成严重威胁，其中SMX的植物毒性明显高于TC，在高浓度下可导致水稻生物量减少95.61%，生长完全受到抑制。ZVI/BC通过还原和吸附双重机制展现出良好的修复潜力，有效减少了土壤和植物组织中的抗生素残留，并改善了土壤肥力（电导率、总孔隙度、有效养分含量等）
作者贡献声明
Yixuan Chen：方法学研究。Ziyi Ge：数据整理。Xuanming Wang：实验设计、数据分析。Siyu Wang：实验实施。Jun Meng：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金申请、概念构思。Xu Su：初稿撰写、数据可视化、验证、实验设计、数据分析。Jie Han：撰写、审稿与编辑、资源协调、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢辽宁省科学技术项目（2024JH2/102400001）、国家重点研发计划（2024YFD2301200）以及中国农业研究系统专项基金（CARS01–51）的财政支持。
